情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

電子黒板からの操作を可能とした実物投影機インタフェースの開発
前田智郎† 小林信輔† 比留間雄大† 加藤直樹†
概要：今日の学校現場では，実物投影機が整備され，急速に普及している．しかし，現在の実物投影機の操作では本来の役割である学習の理解促進を妨げてしまう問題がある．本発表ではこの問題に焦点を当て，電子黒板上でのタッチ入力によって実物投影機の拡大・縮小，傾き補正や移動の操作を可能とするインタフェースの提案と開発，及び評価について述べる．

A development of user interfaces that can be operated
a document camera from an electronic whiteboard
TOMOO MAEDA† NOBUSUKE KOBAYASHI †YUDAI HIRUMA† NAOKI KATO†
Abstract: Nowadays, document camera is prepared and becoming popular rapidly in field pf education. But there is a problem
that the current operation of document camera will disturb the promotion of understanding in learning which is the natural role ofit. In this paper, we focused on this problem and then suggested, developed and evaluated the interface which can operate thedocument camera’s zooming, tilt correction, and movement by touch input on electronic white board.

1. はじめにして、一斉指導による学び（一斉学習）に加え 子どもたち
一人一人の能力や特性に応じた学び(個別学習)、子どもた

学校現場においてプロジェクタや大型モニタなどの拡大

ち同士が教え合い学び合う協働的な学び(協働学習)を推進

表示器，電子黒板や実物投影機等の情報通信技術（ICT：していく．とあるように，それぞれの子に応じた学習におInformation and Communication Technology）を活用した学習

いて，適切に ICT 機器を活用することが重要としている．

環境の整備が進み，教師や学習者にとって新しい学びがはそして，児童生徒に必要な情報を表現したり発信したりすじまっている．

るために実物投影機等の ICT 機器が早急に全ての教室で活文部科学省は学校 ICT 環境整備事業を通して多くの学校用できるようになることが必要としている．の普通教室にデジタルテレビやパソコン，実物投影機等の堀田らは，実物投影機が教室に常設されている教室環境

ICT 機器の普及のために財源を確保し，導入を推進した．

で日々の授業を行う教員にとって，実物投影機の活用は常そして，平成 26 年度「学校における教育の情報化の実態に態化しており，実物投影機が活用できない場合には数多く関する調査結果」[1]によると，電子黒板の整備状況は前年の指導困難点が生じると予想しているなど，授業環境とし度より 8,045 台増加して 90,537 台となっており，実物投影て不可欠となっていること確認されたことを報告している

機の整備状況は前年度より 18,976 台増加して 178,910 台と[4].

なっている．電子黒板，実物投影機ともに整備状況は年々

また，野中は，いくつかの調査結果をもとに ICT の整備増加し，いずれも過去最高の整備台数になっている．
また，状況や活用状況を整理し，日常的な ICT 活用が必要である

ICT 活用に関して書かれている教育の情報化に関する手引と述べている[5]．その中で，ICT の常設により使用頻度がき[2]において，実物投影機を用いて写真や図形を拡大表示

高まり，使用頻度が高いほど学力が高いことを示している．

することが効果的であると示されている．このことから，実物投影機の重要性を訴え，実物投影機を教室に常設する実物投影機での ICT 活用がより身近になり，普及していくことの必要性を明らかにした．

だろう．

高橋らは，調査を行い ICT の活用方法や特徴を明らかに2020 年度に向けた教育の情報化に関する推進方策であした[6]．多くの教員は，授業中に実物投影機を活用するこる教育の情報化ビジョン[3]によると，情報通信技術を活用とで注目してほしいポイントに児童生徒の視線を集めるこ†東京学芸大学
Tokyo Gakugei Universityⓒ2016 Information Processing Society of Japanとで，意見や考えを全体で共有したいことがわかる．
このように実物投影機の重要性が示される中，一方で，

1

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

先の調査[2]では，授業中に ICT を活用して指導する能力にそこで本研究では，これら授業における実物投影機利用関して「わりにできる」若しくは「ややできる」と回答しの問題点を解消することを目的とし，電子黒板と共に利用た教員の割合の平均は 71.4％にとどまっている．このことする環境での実物投影機のユーザインタフェースの提案，から，教員の ICT 活用がまだ高いとはいえないことがわか設計，開発，評価を行う．

る．

2. 実物投影機インタフェースの設計

本研究では，実物投影機で教科書やノートを提示する授業を対象とする．このとき従来の環境では，教師は教科書2.1 基本コンセプトやノートを実物投影機がある場所に置き，ズームして電子本研究では，授業者が実物投影機を電子黒板上で操作で黒板や大型モニタの幅に合わせて表示し，ノートを回転しきるようにすることを提案する（図３）．従来の実物投影機て傾きやずれを直していた．しかし，電子黒板や大型モニの操作では，操作中に児童生徒に背中を向けたり（図４），タに写された映像を見ながら手元の実物を動かす操作は非常に難しいという問題がある．また，教師の目線が児童生徒の視線と一致したうえで説明するのが望ましい（図１，２）．しかし，重要な部分を次々にズームしながら説明する
場合，投影場所と実物投影機の間を行き来することを面倒TOUCHや時間の無駄と感じ，実物を指やペンで指し示しながら説明することが多い．そのため，視線は手元に行ってしまうのに対して，児童生徒の視線は電子黒板や大型モニタに向いてしまう．加えて，児童生徒の中には提示されている方を見ればよいのか，先生を見ればよいのか迷ってしまう者も出るなどの問題もある．

図３

本ツールの想定環境

Figure3 Estimation environment of this tool

図１

教師と児童生徒の視線が一致しない

Figure1 Teacher and students watch different direction

図４

操作の際に児童生徒に背を向けてしまう
Figure4 Teacher turns a back to the childwhen operating the tool

図２

教師と児童生徒の視線が集まる

Figure2 Teacher and students watch same directionⓒ2016 Information Processing Society of Japan

図５

操作の際の態勢が難しい

Figure5 Teacher feels hard position when operating the tool2

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report
操作の際に難しい姿勢にならないといけなくなる場合がある（図５）．この状態は，児童生徒の反応や表情を確認することができないので好ましくない．そこで電子黒板など映Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

2.3.2 傾き補正の操作方法
傾き補正は水平にしたい線を通る 2 点を指定して行う．
2 点を指定するのには次の 2 通りが考えられる．

像の提示場所から操作できるようにすることで，授業者は・投影像上の 2 点をタップして指定する．

実物投影機を操作する際に実物投影機本体と電子黒板や大・1 点をタッチしてそのまま指を移動させ離した部分を 2型モニタの間を行き来する必要がなくなる．また，手元と別の画面を見ながら操作する難しさを解消することで，授業を円滑に進める助けをする．そして，教師の視線は手元に行くのに対して，児童生徒の目線は電子黒板や大型モニ点目として指定する．
本研究では，この 2 通りの傾き補正の方法を採用し，傾き補正を行う．
1 点目をタップしたとき，もしくはタッチした時，そのタに向くという視線の不一致の問題も解消できる．

場所を始点とする．2 点目をタップした場所，もしくはタ2.2 機能設計

ッチを離した場所を終点とする．そして，表示している投2.2.1 傾き補正機能

影像を，指定した 2 点を結ぶ直線と水平になるように回転本ツールでは，電子黒板上の操作で，投影像を回転させることによって傾きを補正する機能を提供する．
従来の実物投影機はどちらの向きに撮っているのか分させ傾きを補正する．
また，投影像の回転の中心を指定するという作業は手間が増え教師の負担になる．そこで，操作をより簡単にし，かりづらく，電子黒板や大型モニタに表示してみないとわ手間を省くために回転の中心は投影像の中心とする．

からない．また，表示後に傾きを補正する際に電子黒板や2.3.3 拡大・縮小の操作方法

大型モニタに映っている映像を見ながら手元で実物を操作

拡大・縮小には，ピンチイン，ピンチアウトを採用する．

するのは難しい．
この操作に煩わしさを感じる教師も多い．

近年のスマートフォンやスマート PC 等の普及により，拡そのため，ここでの操作を簡単に素早くできることによっ

大操作にはピンチインやダブルタップ，縮小操作にはピンて，本来の授業に使われる時間を確保することができるだ

チアウトの操作が一般的に用いられるようになっている．

けではなく教師にとって操作上のストレスを少なくするこ

そのため，本ツールでは拡大・縮小の操作にピンチイン・とが期待できる．

ピンチアウト操作を採用した．

2.2.2 拡大・縮小機能
本ツールでは，電子黒板上の操作で，投影像の拡大・縮小を行う機能を提供する．
従来の実物投影機では，映しているものを拡大・縮小す

拡大・縮小の中心はピンチイン時の 2 本の指の中点とし，ピンチインの際の片方の指が差している部分が，ピンチアウト時の指の部分になるように拡大縮小する．
2.3.4 ムーブの操作方法

る際に直接本体を操作しなければならない．また傾きを補ムーブは，2 本指でのドラッグ操作を採用する．ムーブ

正するときと同様に電子黒板や大型モニタに映っている映の際に 1 本指での操作も考えられるが，スマートフォンや像を見ながら手元を操作しなければならない．ここでは，スマート PC で 1 本指での操作は画像を前後に送る際に多そのような操作の難しさを解消することをめざす．

く使われるため採用しなかった．

2.2.3 ムーブ機能
本ツールでは，電子黒板上の操作で，投影部分を自由に移動する機能を提供する．

3. 試作
3.1 ターゲット環境

拡大・縮小機能を用いて，拡大を行ったときに画面上に本ツールの実現可能性を示すために，試作を行った．筆

映らなくなってしまう範囲が出てきたり，授業中に教師が者の所属する東京学芸大学加藤研究室で研究されている電説明を行う過程で，表示させたい範囲が変わったりするこ

子黒板システム(Digiboard)との連携を想定した．実物投影とがある．その都度，教師は実物投影機本体と電子黒板や機は，エルモ社の L-12id を用いた．これをコンピュータと大型モニタの間を移動しなければならなくなる．このよう接続し，その出力を電子黒板やタッチ操作が可能な大型モな，実物投影機の操作の手間が時間の無駄につながっていニタ上に表示する環境を前提とした．エルモ社の L-12id はる．そこで，本機能では電子黒板上の操作で，表示させるUVC（USB Video Class）規格に準拠したカメラであり，カ範囲を決めるための機能を提供する．

メラをして映像を表示するだけではなく，逆方向にカメラ

2.3 操作方法の設計を制御することが可能である．

2.3.1 基本方針

3.2 開発環境

本ツールは電子黒板上を指で操作することを想定する．

本ツールは，学校現場では電子黒板用コンピュータとし使い勝手を向上させるためにボタンを少なくし，直感的にて Windows が多く採用されていることから，Visual Studio表示されている映像に直接操作できるようにする．

2013 を用いて Microsoft Visual C#を使用し，WindowsFormApplication として実装を行った．

ⓒ2016 Information Processing Society of Japan3

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report
実物投影機の制御には，Microsoft が提供する API（Application Programming Interface）である DirectShow を利用した．
これにより次のカメラ制御とカメラの情報を取得すること

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

機本体が持つ光学的なズーム機能を用いて行う．
(2) ソフト処理
ソフト処理は，実物投影機から送られてくる映像をキャを可能とした（表 1）．

プチャした画像に対してソフトウェア的な処理を加えたも3.3 傾き補正機能の実装のを原画像として表示する方法である．ソフト処理では，

2.3.2 で述べたように傾き補正は投影像の任意の 2 点をタップすること，もしくはドラッグ操作の始点と終点を指定することで行う．

拡大の際に画質を落としてしまうが，拡大を限界なく行うことができる．
ハード処理の方が画質劣化が少ないため，ハード処理で2 点を指定することで 2 点を通る直線と水平方向の直線可能な場合には積極的にハード処理を利用する．ハード処とのなす角を求めることができる．そして，2 点から求め理とソフト処理を組み合わせる方法を次に説明する．

たなす角を傾きとし，2 点を結ぶ直線と水平になるように(1) ソフト処理への切り替え

問う映像を回転させる．

拡大操作によって，ハード処理の範囲を超えたとき，ソ傾き補正が指定されている段階で，再度傾き補正が指示フト処理に切り替える．この場合，最大倍率の映像をキャされた場合はこれまでの回転角度に足し合わせたものを補プチャし，それ以上拡大する場合は，その画像に拡大処理，正角度とした．

切り出し処理を加える．

傾 き 補 正 機 能 に お け る 映 像 や 画 像 の 回 転 は .NET

また，ハード処理をしている状態でムーブ操作を加え，Framework に用意されている Graphics クラスを利用して実表示範囲が実物投影機から送られてくる映像の中央ではな現した．Graphics の Graphics.RotateTransform メソッドによくなったときにも，ソフト処理に切り替える．この場合，って指定したイメージを回転させることができる．傾き補

その時点で実物投影機から送られてくる映像の範囲外を表正が指示されている場合，実物投影機から送られてくる映示しなければならないため，実物投影機からの映像に表示

像は Graphics.RotateTransform メソッドによって常に回転さ範囲を含む最大倍率にした状態にしてからキャプチャし，せる．

その画像から表示範囲を切り出す．

3.4 拡大・縮小機能とムーブ機能の実装(2) ハード処理への切り替え

拡大・縮小とムーブはハード処理とソフト処理の２通りソフト処理をしている状態で縮小操作を行い，表示範囲の処理を組み合わせる．ハード処理とソフト処理についてがハード処理の範囲に収まった時にはハード処理に戻す．

次に説明する．

また，表示範囲が中央でない（ソフト処理をしている）(1) ハード処理

状態でムーブ操作を行い，表示範囲が中央に戻った時も，ハード処理は，実物投影機本体から送られてくる映像をそのまま原画像として表示する．拡大・縮小もが実物投影ハード処理に戻す．
なお，上記の操作が行われても，ハード処理に戻る条件にならない時は，表示範囲を含む最大倍率での映像をキャDirectShow を用いることで可能となる機能プチャし直し，その画像から切り出し処理を行う．この処

Table1 The function which can be capable

理によって，最良の画質による表示が可能になる．

表１

by using DirectShow
PanTilt

Zoom

カメラを水平方向の左右に動かす機
能
パン機能の有無とその範囲のメソッドが用意されている（表２）．

カメラを垂直方向の上下に動かす機
能
ティルト機能の有無とその範囲値，最小値，最大値を取得する．次にハード処理を行う準撮影の範囲を拡大・縮小する機能
表２

GetRangeGet

カメラプロパティの現在の設定を取得する．

焦点を調節する機能ⓒ2016 Information Processing Society of Japan

カメラプロパティの範囲と既定値を取得する．

光を通す穴の大きさを調節する機能

焦点調節機能の有無とその範囲

IAMCameraControl に用意されているメソッド
Table2 The methods in IAMCameraControl

光の量を調節する機能

絞り調節機能の有無とその範囲
Focus

ハード処理の状態では，GetRange メソッドによって接続されている実物投影機のカメラプロパティのズームの初期

露出調節機能の有無とその範囲
Iris

実物投影機の制御は DirectShow の IAMCameraControl インタフェースを用いて実現した．IAMCameraControl には次ズーム機能の有無とその範囲
Exposure

3.4.1 ハード処理の実装

Set

カメラのプロパティを設定する．

4

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

備として Get メソッドによってカメラプロパティのズーム

一つ目は，実物投影機を直接操作した時の操作のしやすの現在値を取得する．また，Set メソッドによってズームさに関して，また，本ツールを用いて電子黒板上で間接的の値を，ハード処理を行いながら設定する．に操作した時の操作のしやすさに関する質問（２項目）をまた，ハード処理を行う際に同時に，カメラの焦点を合実施した．

わせるために焦点調節の範囲の初期値，最小値，最大値を二つ目は，本ツールの主な機能（傾き補正機能，拡大・GetRange メソッドによって取得する．そして，焦点の調節縮小機能，ムーブ機能）の使いやすさに関しての質問（３を自動（Auto）もしくは，手動（Manual）で設定すること項目）を実施した．

ができるため，本ツールでは焦点は自動で合わせるように

また，それぞれの項目は「とてもそう思う」を２点，「ました．こうすることで，カメラを制御し拡大・縮小を行っったくそう思わない」を-２点として評価を実施した．ても，ピントがずれることなく表示することができる．

4.3 タスク傾き補正機能によって傾きが補正されていた場合には，調査では次のタスクで行ってもらった．

送られてくる映像を回転させて表示する．

（１） 本ツールの操作説明をする．

3.4.2 ソフト処理の実装（２） 10 人をそれぞれ A グループ B グループに 5 人ず

ソフト処理の状態では.NET Framework の Graphics クラつに分ける．

スを利用して実現した．Graphics の Graphics.ScaleTransform（３） A グループは最初に，本ツールを用いて電子黒板メソッドによって指定したイメージを拡大・縮小し，必要上で実物投影機を間接的に操作し，B グループはな場合は，Graphics.DrawImage メソッドによって切り出し最初に実物投影機を直接操作する方法で行う．

を行った．
また，傾き補正機能によって傾きが補正されていた場合

具体的な操作内容としては，A4 のプリントをあらかじめ傾けて表示させておく．また，プリントには注目させる範には，画像を表示する前に回転補正し，表示した．

囲を決める．実物投影機を直接もしくは電子黒板上で間接3.4.3 拡大・縮小操作の実装

的に操作させることで傾きを補正し拡大することで注目範

ピンチ操作を行うときの２本指の間の距離をもとに倍率を計算する． 2 本指の間の距離の大小によって倍率を決める．そして，スタート時の２本指の距離とピンチ操作を行って変化した距離の比から拡大・縮小の比率を求め，ハード処理，ソフト処理ともに投影像の中心からズームさせる．
3.4.4 ムーブ操作の実装
2 本指の間の距離が大きくなった場合はピンチイン，小さくなった場合はピンチアウトとするため，2 本指を間の距離を一定の場合はムーブ操作とする．

囲を表示させる．
4.4 分析方法
標本数が少ないことからノンパラメトリック手法を用いて検定を行った．
操作時間を計測したことで得られた結果は，直接操作に要した時間と電子黒板上で間接的に操作した場合に要した時間を対応させて検定（ウィルコクソンの符号付順位和検定）を行った．
質問紙の調査によって得られた結果は，直接操作もしく

4. 予備評価

は，本ツールを用いて電子黒板上で間接的に操作した時の4.1 概要差をとり，検定（符号検定）を行った．また，本ツールの開発したツールの有用性を検証するために予備的な評

操作のしやすさに関する質問では二つの回答を対応させて機能の使いやすさに関しての質問では項目ごとで検定（正価実験を行った．対象は東京学芸大学に通う教育実習を経確二項検定）を行った．

験した大学 4 年生（男 7 名 女 3 名）の計 10 名で，時期は4.5 結果

2016 年 1 月 21 日（木）であった．本研究では３.１に述べ

表３は実物投影機本体を操作した際にタスクを完了すたターゲット環境を想定し行った．

るのに要した時間と本ツールを用いて電子黒板上で間接的4.2 方法に操作した際にタスクを完了するのに要した時間を比較し本調査は次の 2 種類の調査を行った．
(1) 本ツールを用いた操作時間とそうでないときの比較た表であり，表４，表５は，質問紙評価の点数の結果をまとめた表になる．

本ツールを用いて電子黒板上で実物投影機を間接的に操本ツールを使った場合の操作時間の平均値は 22.90（分作し，与えられたタスクを完了するのに必要とした時間と散 14.37），使わない場合の平均値は 22.14（分散 22.56）で実物投影機を直接操作し同じタスクを完了するのにかかっあった．ウィルコクソンの符号付順位和検定を行ったとこた時間を比較した．

ろ，有意水準 5%で有意差は認められなかった．

(2) 質問紙を用いた評価
質問紙で主観的評価（五段階，２から-２の採点）を取得した．大きく２種類の質問を実施した．

ⓒ2016 Information Processing Society of Japan

また，それぞれの場合についての操作のしやすさの質問に対する回答は，本ツールを使った場合の平均値が 0.90 点，使わなかった場合が 0.20 点であった．本ツールの方が使い5情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2

やすかったかどうか（非劣性）を検証するために，符号検表３定（片側，有意水準 5%）をしたところ，有意差が認めら

操作時間の結果

Table3 Result of the operation time

れた．

直接操作で要した間接操作で要した

時間（秒）

時間（秒）

1

16.9

23.42

2

30.1

25.72

319.52

18.31

ついて，正確二項検定（片側，有意水準 5%）をしたとこ

429.2728.3

ろ，傾き補正について有意差が認められた．

515.32

28.1

4.6 考察622.0323.58

本ツールを使った場合と使わない場合との比較では，操722.37

18.11

作時間はほぼ同じであったが，操作のし易さに対する主観

823.61

20.49

的な評価では優位性が示された．

919.7623.81

1022.53

19.18

対象者

本ツールの三つの操作方法の操作がしやすいかどうかを検証するための質問に対する回答の平均値を表５に示す．
傾き補正については肯定的，拡大縮小についてはほぼ同等の値となったが，ムーブについては否定的な値となった．
肯定的な点数をつけた人数と否定的な点数をつけた人数にまた，各操作方法のし易さに対する主観的な評価では傾き補正については肯定的な点数となり，検定でも有意差が認められた．プリントが傾いて表示されている 2 点をタッ

表４

プするという簡単で正確でわかりやすい操作方法が使いや質問紙の結果①

Table4 Result of the questionnaire survey, 1すかったのではないかと考えられる．一方，ムーブ機能は直接操作の使い間接操作の使いややすさ

すさ

1002-11301

本研究では，実物投影機で教科書やノートを提示する際4-11のも問題点を解消することを目標に，実物投影機をより使52-1

いやすくするためのユーザインタフェースを提案，設計，601開発，評価を行った．

対象者否定的な点数となった．ムーブ操作を 1 本指でなく 2 本指のドラッグにしたことに対して使いにくく感じてしまったことが原因だと考えられる．

5. おわりに701

これまで， USB カメラを表示させるだけのツールは存

802

在したが，本研究では UVC 規格に準拠した実物投影機に9111012共通して使えるユーザインタフェースとなった．
また，使いやすさの評価だけではなく，実際の学校現場
表５

質問紙の結果②

Table5 Result of the questionnaire survey, 2

対象者

拡大・縮小機能

傾き補正機能ムーブ機能

12345678910
平均値

120-1-10-11110.3

22-1
102
11010.90-1-2-2-2-1
10-10-0.08ⓒ2016 Information Processing Society of Japan

6情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

Vol.2016-CE-135 No.2
2016/7/2でも有用性があるのかを実践等を通して検証したい．そして，新たに必要とする機能があるかどうか分析し，本ツールの使いやすさをさらに向上していきたい．

参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]

[5]
[6]

文部科学省：平成 26 年度 学校における教育の情報化の実態等に関する調査結果(2015).
文部科学省：教育の情報化に関する手引き(2010)．
文部科学省：教育の情報化ビジョン(2011).
堀田龍也 高橋純 山田愛弥 八木澤圭：小学校教員が実感している実物投影機の活用効果に関する分析，日本教育工学会論文誌，第 37 号，pp.153-156 (2013)．
野中陽一：現実的な ICT 活用のための普通教室の ICT 環境，
日本教育工学会年会論文集 ，第 27 号，pp.16-17 (2011)．
高橋純 堀田龍也：小学校教員が効果的と考える普通教室でのICT 活用の特徴，日本教育工学会論文誌，第 32 号，pp.117-120(2008)．

ⓒ2016 Information Processing Society of Japan7